Пошук життя за межами Сонячної системи все частіше обертається навколо конкретного питання: скільки спостережень насправді потрібно, щоб побачити хімічний слід біології в атмосфері чужої планети. Нове дослідження дає на нього числову відповідь для одного з найочікуваніших інструментів найближчого десятиліття.
Йдеться про ELT (Extremely Large Telescope) — надвеликий телескоп, який будують у Чилі, та його спектрограф ANDES, що працюватиме у видимому й ближньому інфрачервоному діапазонах з високою спектральною роздільною здатністю. Команда астрономів розробила симуляційно-детекційний конвеєр і перевірила, чи вдасться цим інструментом розрізнити вуглекислий газ, воду, кисень і метан в атмосферах кам'янистих планет земного типу.
Байєсівська крос-кореляція замість простого підрахунку сигналу
Метод спостереження — трансмісійна спектроскопія. Коли планета проходить перед диском своєї зірки, частина зоряного світла проникає крізь її атмосферу і поглинається молекулами газів на характерних довжинах хвиль. Ці "провали" в спектрі — і є підпис хімічного складу.
Проблема в тому, що на відстанях у десятки світлових років сигнал атмосфери кам'янистої планети — надзвичайно слабкий, і губиться в шумі. Автори запропонували нову байєсівську схему крос-кореляційного аналізу (CCF) з ядрами, підібраними під конкретну молекулу, і авторегресійною моделлю, яка враховує кореляції в самому сигналі. Оцінки шуму бралися з калькулятора часу експозиції ANDES у режимі seeing-limited — тобто без адаптивної оптики, з урахуванням реальних атмосферних завад.
Рішення про виявлення вважалося переконливим, коли статистичний показник (логарифм баєсового фактора) перевищував поріг 2,0 — досить консервативний критерій, що відсікає випадкові збіги.
18 планет і різна ціна за кожну молекулу
Метод застосували до 18 відомих потенційно придатних для життя транзитних екзопланет. Для кожної порахували, скільки транзитів потрібно спостерігати, щоб впевнено виявити CO₂, H₂O, CH₄ та O₂.
Вода виявилася найдоступнішою молекулою. Для планет системи TRAPPIST-1 достатньо 10–19 транзитів, для LHS 1140 b — близько 30. Це вже само по собі великі спостережні кампанії, адже кожен транзит триває лічені хвилини-години і трапляється раз на орбітальний період планети.
Інші гази вимагають суттєво більше часу. Вуглекислий газ потребує приблизно в 1,5 раза більше транзитів, ніж вода. Метан — у тричі більше. Кисень, головна ознака фотосинтетичного життя, виявився найважчим для виявлення: приблизно в чотири рази більше транзитів, ніж для води.
Ідеальні умови як нижня межа реальності
Автори прямо визнають: ці цифри — оптимістичний сценарій. Розрахунки припускають безхмарні атмосфери, схожі складом на сучасну Землю, ідеальне усунення систематичних трендів у даних і повну відсутність приладових похибок. У реальних спостереженнях хмари, зоряна активність і недосконалості детрендингу неминуче збільшать необхідну кількість транзитів.
Навіть за таких сприятливих умов ідеться про десятки спостережень одного об'єкта — а отже, про роки виділеного телескопного часу заради однієї планети й однієї молекули.
Тому дослідники розглядають альтернативний підхід — спостереження у відбитому світлі за допомогою високодисперсійної коронографії для найближчих нетранзитних планет. Такий метод не залежить від щасливого збігу орбітальної площини планети з лінією спостереження і може стати корисним доповненням до транзитних вимірювань у пошуку біосигнатур.
